CN112935559A - 基于超短脉冲水导激光的成型砂轮制造方法 - Google Patents

基于超短脉冲水导激光的成型砂轮制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于超短脉冲水导激光的成型砂轮制造方法。其特征是将皮秒级的超短脉冲激光和水导设备结合，通过激光加工工艺制备麻花钻螺旋槽磨削用成型砂轮。其制备方法为：通过激光径向加工工艺对圆柱毛胚进行粗加工，烧蚀去除部分磨料；采用激光准正切技术实现对样品磨料的快速去除，在准正切粗加工阶段烧蚀加工出成型砂轮所需的复杂型面；通过准正切精加工提高样品的加工质量和精度；最后径向锐化步骤是利用激光在水柱内能量密度均布，去除掉部分金属结合剂，使砂轮磨粒凸出高度基本一致。本发明显著提高了复杂型面砂轮的制造精度，能够保证磨粒凸出高度相近，还能有效地防止金刚石磨粒的石墨化，提高砂轮的表面质量和使用寿命。

Description

基于超短脉冲水导激光的成型砂轮制造方法
技术领域
本发明涉及一种成型砂轮制造方法，特别是基于超短脉冲水导激光的成型砂轮制造方法。
背景技术
磨削加工作为一种精密加工技术，在精密零部件的制造领域有着广泛的应用，其中用成型砂轮磨削麻花钻螺旋槽是一种典型的应用实例。但是麻花钻螺旋槽型面复杂，成型磨削时冷却条件恶劣，产生的磨削变质层导致钻头性能下降，因此对麻花钻螺旋槽磨削用成型砂轮的精度和质量要求高。复杂成型砂轮的制造难度大，传统的制造工艺存在加工精度低、修整时间长、使用寿命短等问题。
激光加工技术具有加工精度高、加工质量好、速度快等优点而被用来加工多种超硬材料和硬金属。普通脉冲激光在加工金刚石砂轮过程中，往往会出现由于激光的高热能量导致的金刚石磨粒石墨化和砂轮表面出现微裂纹等问题，从而影响所制砂轮的表面质量；同时普通脉冲激光在对金刚石砂轮修锐过程中，若无复杂的激光实时对焦系统，修锐后砂轮表面金刚石磨粒凸出高度不一致，进而导致砂轮精度下降，也会影响砂轮后续的磨削效率和使用寿命。
为了提高激光加工金刚石砂轮的精度和减缓加工过程中由于激光高热能量导致的金刚石磨粒石墨化的现象，DOI号为10.1016/j.matdes.2020.108530的论文提出了利用超短脉冲激光加工金刚石砂轮，该论文采用了作者设计的无扫描头的激光装置，利用皮秒级超短脉冲激光制造出了在毫米级轮廓上平均误差小于1μm的高精度金刚石砂轮，获得了较好的磨粒凸出高度，在制造时间上具有较强竞争力；但是，激光平均功率高达100W，虽然作者采用了抽吸冷却装置来降低激光高热能量所带来的热效应，但仍然不可避免会出现金刚石磨粒石墨化的现象，且在激光锐化过程中，由于缺乏激光实时对焦系统，会出现锐化过程中砂轮表面的激光能量密度存在差异的问题，从而去除金属结合剂的量也不同，最终制得的砂轮表面磨粒的凸出高度不一致，影响砂轮的精度和制造质量。
为了提高激光修整金刚石砂轮的效率和修整后砂轮的表面质量，公开号为CN108581844A的专利“短波长超快激光修整金属结合剂金刚石砂轮的装置及方法”，设计了一套激光修整装置并采用超短脉冲激光对金属结合剂金刚石砂轮进行修整，提高了砂轮的修整效率和修整质量，并避免了金属结合剂和金刚石磨料因热效应产生的微裂纹和石墨变质层等缺陷，但是该方法通过机械手来调整加工轨迹，难以极为精确地调整砂轮和激光束的位置实现实时对焦，对于成型砂轮复杂外轮廓面的修整，激光束无法实时对焦会导致修整中砂轮表面各点的激光能量密度不同，从而去除金属结合剂的量也不同，最终制得的砂轮表面磨粒的凸出高度不一致，影响砂轮的精度和质量。
发明内容
针对现有技术制备金刚石砂轮存在磨粒石墨化、磨粒凸出高度不一致导致砂轮精度和质量下降等问题，本发明提出基于超短脉冲水导激光的成型砂轮制造方法。其特征是将超短脉冲激光和水导激光器结合，通过激光加工工艺制得用于磨削麻花钻螺旋槽的高精度和高质量的成型砂轮，水射流全程对激光加工区域进行冷却，即使在高功率下，加工区域仍不会产生激光热效应，避免了磨粒石墨化的现象；同时水射流实时冲洗加工过程中产生的熔融碎屑，不会因残余碎屑的存在而影响后续加工，从而确保了砂轮的加工表面质量；同时超短脉冲激光在水射流中发生全反射，从而实现了锐化过程中激光在砂轮表面各点的能量密度相同，从而不需要额外的复杂激光实时对焦系统也能够达到磨粒凸出高度相近的目的。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案分为如下几个步骤：步骤一，径向粗加工：将轮毂(7)外层烧结有磨料层(8)的样品(10)的圆柱毛胚安装在数控机床主轴上，调整超短脉冲水导激光器位置，使激光束(5)能够径向入射在样品(10)的正上方；启动水导激光器和数控机床，调整水导激光器的平均功率和数控机床的运动参数，激光与样品(10)外圆周的相对运动路径即激光路径(9)呈螺旋状；激光束(5)将样品(10)外圆周烧蚀去除一层磨料层(8)，每次蚀除磨料层(8)的厚度为5.5～6μm，重复50～200次；水射流(6)将蚀除材料冲走并起冷却作用，从而避免了磨料层(8)的热损伤；步骤二，准正切粗加工：调整超短脉冲水导激光器位置使得激光束(5)相对于样品(10)准正切入射，即激光束(5)从与样品(10)呈正切状态向样品(10)中心偏移一定距离，使部分激光束(5)与磨料层(8)耦合，实现磨料层(8)的快速去除；调整超短脉冲水导激光器的平均功率和数控机床的运动参数，使激光束按照预设程序进行成型砂轮的复杂型面(13)的烧蚀加工，激光束(5)沿着成型砂轮的复杂型面(13)烧蚀去除一层磨料层(8)，每次蚀除磨料层(8)的厚度为9～11μm，重复20～50次；步骤三，准正切精加工：保持超短脉冲水导激光器的平均功率不变，调整数控机床的运动参数，继续使激光束(5)沿着成型砂轮复杂型面(13)烧蚀去除一层磨料层(8)，每次蚀除磨料层(8)的厚度为0.9～1.1μm，重复30～50次；与准切向粗加工相比，去除磨料层(8)的厚度大大降低，确保了样品(10)的加工质量和加工精度；因数控机床的主轴转速提高、进给速度降低，所以激光束(5)在样品(10)复杂型面(13)上的速度提高，从而减少了激光脉冲重叠，进一步保证了样品(10)的加工质量和加工精度；步骤四，径向锐化：调整超短脉冲水导激光器的位置，使激光束重新径向入射样品(10)；调整超短脉冲水导激光器的平均功率和数控机床的运动参数，激光束(5)沿着成型砂轮的复杂型面(13)烧蚀去除一层材料，每次蚀除材料厚度为0.9～1.1μm，重复5～20次；由于金刚石磨粒(12)的烧蚀阈值远高于金属结合剂(11)，因此此次去除的材料是金属结合剂(11)而保留了金刚石磨粒(12)，且金刚石磨粒(12)凸出于金属结合剂(11)表面；水导激光水射流(6)内各处激光能量密度相同，从而不需要额外的复杂激光对焦系统来调整成型砂轮与激光束的相对位置，保证了锐化后砂轮复杂型面(13)各处金刚石磨粒(12)的凸出高度相近，从而制备出具有良好磨削性能的金刚石成型砂轮。
所述金属结合剂(11)为铜基金属，样品(10)毛胚中金刚石磨粒(12)的体积含量为0.5～2g/cm3，圆柱毛胚直径为Φ50～200mm。
所述超短脉冲水导激光器激光束(5)的波长为1030nm，脉冲宽度为5～15ps，焦斑直径为Φ30～100μm。
步骤一所述超短脉冲水导激光器的平均功率为30～80W，数控机床的运动参数为：机床进给速度Vf为300～500μm/s，主轴转速ωr为40～80rps。
步骤二所述超短脉冲水导激光器的平均功率为80～120W，数控机床的运动参数为：机床进给速度Vf为300～500μm/s，主轴转速ωr为2～4rps。
步骤三所述数控机床的运动参数为：机床进给速度Vf为80～120μm/s，主轴转速ωr为10～20rps。
步骤四所述超短脉冲水导激光器的平均功率为5～10W，数控机床的运动参数为：机床进给速度Vf为400～600μm/s，主轴转速ωr为30～60rps。
与现有技术相比较，本发明具有以下有益效果。
①有效防止了金刚石磨粒的石墨化，极大地延长了砂轮工作寿命。采用超短脉冲水导激光加工技术制造砂轮，制造过程中水射流全程对砂轮加工区域进行冷却，有效防止了金刚石磨粒的石墨化，抑制了砂轮表面微观裂纹的产生，进而提高了砂轮后续的使用寿命。
②确保了砂轮表面各处金刚石磨粒凸出高度相近，极大地提高了砂轮的制造精度。用水导激光加工技术制造砂轮，激光束以全反射的方式沿着水射流传播，激光在水柱内各处能量密度分布相同，从而省去了额外的复杂激光实时对焦系统，保证了锐化后砂轮表面各处磨粒凸出高度相近，进而极大地提高了砂轮的制造精度。
③制成砂轮表面无熔融碎屑堆积，砂轮表面质量好。加工过程中采用水导激光技术去除砂轮材料，水射流实时冲洗熔融碎屑，有效避免了熔融材料的再堆积，进一步提高了砂轮的表面质量。
④砂轮制备效率大大提高。激光准正切工艺使得部分激光耦合进入砂轮毛胚材料，去除材料速度更快，显著提升了砂轮的制备效率。
⑤砂轮制备工艺简单，制造成本低。
附图说明
图1是本发明制造方法整体示意图。
图2是径向粗加工示意图。
图3是准正切加工示意图。
图4是径向锐化示意图。
以上图1至图4中的标示为：1、激光头，2、玻璃窗口，3、水腔，4、喷嘴，5、激光束，6、水射流，7、轮毂，8、磨料层，9、激光路径，10、样品，11、金属结合剂，12、金刚石磨粒，13、复杂型面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明的实施方法做进一步说明。
一种基于超短脉冲水导激光的成型砂轮制造方法，包括下列步骤。
步骤一、径向粗加工：将轮毂(7)外层烧结有磨料层(8)的直径为Φ70mm样品(10)圆柱毛胚安装在数控机床主轴上，调整超短脉冲水导激光器位置，使激光束能够径向入射在样品(10)的正上方；启动水导激光器和数控机床，设置水导激光器的平均功率为60W，激光头(1)发射激光束(5)通过水腔(3)上方的玻璃窗口(2)聚焦于喷嘴(4)，水腔(5)受压使得水射流(6)从喷嘴(4)射出并引导激光束(5)传播到砂轮表面；设置数控机床的主轴转速ωr为50rps，机床进给速度Vf为400μm/s；激光与样品(10)外圆周的相对运动路径即激光路径(9)呈螺旋状；激光束(5)将样品(10)外圆周烧蚀去除一层磨料层(8)，每次蚀除磨料层(8)的厚度为5μm，重复100次；水射流(6)将蚀除材料冲走并起冷却作用，从而避免了磨料层(8)的热损伤。
步骤二，准正切粗加工：调整超短脉冲水导激光器位置使得激光束(5)相对于样品(10)准正切入射，即激光束(5)从与样品(10)呈正切状态向样品(10)中心偏移一定距离，使部分激光束(5)与磨料层(8)耦合，实现磨料层(8)的快速去除；调整超短脉冲水导激光器的平均功率为100W，调整数控机床的主轴转速ωr为2rps，机床进给速度Vf为400μm/s；使激光束按照预设程序进行成型砂轮的复杂型面(13)的烧蚀加工，激光束(5)沿着成型砂轮的复杂型面(13)烧蚀去除一层磨料层(8)，每次蚀除磨料层(8)的厚度为10μm，重复40次。
步骤三，准正切精加工：保持超短脉冲水导激光器的平均功率不变，调整数控机床的主轴转速ωr为10rps，机床进给速度Vf为100μm/s，继续使激光束(5)沿着成型砂轮复杂型面(13)烧蚀去除一层磨料层(8)，每次蚀除磨料层(8)的厚度为1μm，重复50次；与准切向粗加工相比，去除磨料层(8)的厚度大大降低，确保了样品(10)的加工质量和加工精度；因数控机床的主轴转速提高、进给速度降低，所以激光束(5)在样品(10)复杂型面(13)上的速度提高，从而减少了激光脉冲重叠，进一步保证了样品(10)的加工质量和加工精度。
步骤四，径向锐化：调整超短脉冲水导激光器的位置，使激光束重新径向入射样品(10)；调整水导激光器的平均功率为5W，调整数控机床的主轴转速ωr为30rps，机床进给速度Vf为500μm/s；激光束(5)沿着成型砂轮的复杂型面(13)烧蚀去除一层材料，每次蚀除材料厚度为1μm，重复20次；由于金刚石磨粒(12)的烧蚀阈值远高于金属结合剂(11)，因此此次去除的材料是金属结合剂(11)而保留了金刚石磨粒(12)，且金刚石磨粒(12)凸出于金属结合剂(11)表面；水导激光水射流(6)内各处激光能量密度相同，从而不需要额外的复杂激光对焦系统来调整成型砂轮与激光束的相对位置，保证了锐化后砂轮复杂型面(13)各处金刚石磨粒(12)的凸出高度相近，从而制备出具有良好磨削性能的金刚石成型砂轮。
上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1.基于超短脉冲水导激光的成型砂轮制造方法，该砂轮是由轮毂(7)、磨料层(8)组成，磨料层(8)包含金属结合剂(11)和金刚石磨粒(12)，磨料层(8)的工作面为复杂型面(13)，其特征在于，制造步骤如下：
步骤一，径向粗加工：将轮毂(7)外层烧结有磨料层(8)的样品(10)的圆柱毛胚安装在数控机床主轴上，调整超短脉冲水导激光器位置，使激光束(5)能够径向入射在样品(10)的正上方；启动水导激光器和数控机床，调整水导激光器的平均功率和数控机床的运动参数，激光与样品(10)外圆周的相对运动路径即激光路径(9)呈螺旋状；激光束(5)将样品(10)外圆周烧蚀去除一层磨料层(8)，每次蚀除磨料层(8)的厚度为5.5～6μm，重复50～200次；水射流(6)将蚀除材料冲走并起冷却作用，从而避免了磨料层(8)的热损伤；
步骤二，准正切粗加工：调整超短脉冲水导激光器位置使得激光束(5)相对于样品(10)准正切入射，即激光束(5)从与样品(10)呈正切状态向样品(10)中心偏移一定距离，使部分激光束(5)与磨料层(8)耦合，实现磨料层(8)的快速去除；调整超短脉冲水导激光器的平均功率和数控机床的运动参数，使激光束按照预设程序进行成型砂轮的复杂型面(13)的烧蚀加工，激光束(5)沿着成型砂轮的复杂型面(13)烧蚀去除一层磨料层(8)，每次蚀除磨料层(8)的厚度为9～11μm，重复20～50次；
步骤三，准正切精加工：保持超短脉冲水导激光器的平均功率不变，调整数控机床的运动参数，继续使激光束(5)沿着成型砂轮复杂型面(13)烧蚀去除一层磨料层(8)，每次蚀除磨料层(8)的厚度为0.9～1.1μm，重复30～50次；与准切向粗加工相比，去除磨料层(8)的厚度大大降低，确保了样品(10)的加工质量和加工精度；因数控机床的主轴转速提高、进给速度降低，所以激光束(5)在样品(10)复杂型面(13)上的速度提高，从而减少了激光脉冲重叠，进一步保证了样品(10)的加工质量和加工精度；
步骤四，径向锐化：调整超短脉冲水导激光器的位置，使激光束重新径向入射样品(10)；调整超短脉冲水导激光器的平均功率和数控机床的运动参数，激光束(5)沿着成型砂轮的复杂型面(13)烧蚀去除一层材料，每次蚀除材料厚度为0.9～1.1μm，重复5～20次；由于金刚石磨粒(12)的烧蚀阈值远高于金属结合剂(11)，因此此次去除的材料是金属结合剂(11)而保留了金刚石磨粒(12)，且金刚石磨粒(12)凸出于金属结合剂(11)表面；水导激光水射流(6)内各处激光能量密度相同，从而不需要额外的复杂激光对焦系统来调整成型砂轮与激光束的相对位置，保证了锐化后砂轮复杂型面(13)各处金刚石磨粒(12)的凸出高度相近。
2.根据权利要求1所述的基于超短脉冲水导激光的成型砂轮制造方法，其特征在于：所述金属结合剂(11)为铜基金属，样品(10)毛胚中金刚石磨粒(12)的体积含量为0.5～2g/cm3，圆柱毛胚直径为Φ50～200mm。
3.根据权利要求1所示的基于超短脉冲水导激光的成型砂轮制造方法，其特征在于：所述超短脉冲水导激光器激光束(5)的波长为1030nm，脉冲宽度为5～15ps，焦斑直径为Φ30～100μm。
4.根据权利要求1所示的基于超短脉冲水导激光的成型砂轮制造方法，其特征在于：步骤一所述超短脉冲水导激光器的平均功率为30～80W，数控机床的运动参数为：机床进给速度Vf为300～500μm/s，主轴转速ωr为40～80rps。
5.根据权利要求1所示的基于超短脉冲水导激光的成型砂轮制造方法，其特征在于：步骤二所述超短脉冲水导激光器的平均功率为80～120W，数控机床的运动参数为：机床进给速度Vf为300～500μm/s，主轴转速ωr为2～4rps。
6.根据权利要求1所示的基于超短脉冲水导激光的成型砂轮制造方法，其特征在于：步骤三所述数控机床的运动参数为：机床进给速度Vf为80～120μm/s，主轴转速ωr为10～20rps。
7.根据权利要求1所示的基于超短脉冲水导激光的成型砂轮制造方法，其特征在于：步骤四所述超短脉冲水导激光器的平均功率为5～10W，数控机床的运动参数为：机床进给速度Vf为400～600μm/s，主轴转速ωr为30～60rps。
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